本發(fā)明涉及一種植物照明led的照域計(jì)算，具體的涉及一種運(yùn)用于植物led照明中照域的確認(rèn)方法，屬于led照明應(yīng)用類領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光不僅是植物生長(zhǎng)的能量來源，而且對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)代謝和形態(tài)建成等方面都具有調(diào)節(jié)作用，是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一。
光照強(qiáng)度的空間變化規(guī)律是隨緯度和海拔高度增加而逐漸減弱，并隨坡向和坡度的變化而變化。如在北半球的溫帶地區(qū)，南坡所接受的光照比平地多，北坡則較平地少；無論在什么緯度，南坡的光照強(qiáng)度都比北坡大，且坡度越大差異越顯著；在南坡，隨著緯度的增加，最大光強(qiáng)的坡度也隨之增大；在北坡，無論什么緯度都是坡度越小得到的太陽(yáng)光越多；較高緯度的南坡可比較低緯度的北坡得到更多的日光能，因此南方的喜熱作物可以移栽到北方的南坡上生長(zhǎng)。光照強(qiáng)度的時(shí)間變化規(guī)律是，一年中以夏季光強(qiáng)最大，冬季最弱；在一天中，中午光強(qiáng)最大，早晚最小。此外，光照強(qiáng)度在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部也有變化，一般光強(qiáng)在陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)自上而下逐漸減弱，在水生生態(tài)系統(tǒng)中則是隨水深的增加而迅速遞減。
光照強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)與形態(tài)結(jié)構(gòu)的建成有重要的作用，如植物的黃化現(xiàn)象。光強(qiáng)同時(shí)也影響植物的發(fā)育，在開花期或幼果期，如光強(qiáng)減弱，也會(huì)引起結(jié)實(shí)不良或果室發(fā)育中途停止，甚至落果。光對(duì)果實(shí)的品質(zhì)也有良好作用。故此，光照強(qiáng)度影響照域的選擇，已成為目前需要解決的問題之一。
眾所周知，由于植物對(duì)自然光的吸收波長(zhǎng)主要集中在430～450nm的藍(lán)紫光區(qū)和640～660nm的紅光區(qū)，紅、藍(lán)光led已被廣泛用作人工植物光源，以彌補(bǔ)自然光照的不足。但由于led的輸出光強(qiáng)度在光照平面上光照分布的不均勻性。確定出led光源陣列下植物培養(yǎng)的照域，對(duì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)與探索植物光調(diào)控機(jī)理研究都具有重要意義。
為此，如何提供一種運(yùn)用于植物led照明中照域的確認(rèn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)led光源的最佳利用，是本發(fā)明研究的目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種運(yùn)用于植物led照明中照域的確認(rèn)方法，通過構(gòu)建led植物光源的光照度分布及均勻度模型，綜合考慮光照均勻性及其面積大小對(duì)照域優(yōu)劣的影響，構(gòu)建出照域優(yōu)劣公式，計(jì)算確定該光源的最佳照域，并驗(yàn)證其可行性。
為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
一種運(yùn)用于植物led照明中照域的確認(rèn)方法，包括以下步驟：
步驟一，對(duì)光照分布進(jìn)行分析，構(gòu)建均勻度模型；
所述的光照分布分析包括對(duì)單位led照射強(qiáng)度分析和光束led照射強(qiáng)度的分析；
所述的單位led照射強(qiáng)度由(1)式表示i(θ)＝i0cosmθ(1)；
其中，i(θ)是視角為θ方向上的光照強(qiáng)度；i0是led軸線(視角為0)方向的光照強(qiáng)度；m由led的結(jié)構(gòu)參數(shù)θ1/2決定，如式(2)
其中，θ1/2是光照強(qiáng)度為i0/2時(shí)的視角；
位于光源平面上a(x0，y0，0)點(diǎn)處的led在距離光源平面為z的光照平面上b(x，y，z)點(diǎn)處產(chǎn)生的光照度如式(3)
所述的光束led照射強(qiáng)度為所有紅光led和藍(lán)光led在該點(diǎn)處的光照度的疊加，如公式(4)
所述的構(gòu)建均勻度模型公式如(5)
式中，i表示為紅或藍(lán)光；ei是i光在該域中的光照度平均值，求值公式如(6)
其中，(x，y)∈d，d是光照平面上的一個(gè)區(qū)域；sd是照明區(qū)域d的面積；
根據(jù)微積分原理，公式(6)可換算為公式(7)
其中：n表示為若干個(gè)均勻大小的小區(qū)域范圍；
步驟二，分析照域，構(gòu)建函數(shù)公式，將照域優(yōu)劣問題轉(zhuǎn)化成了求函數(shù)最小值問題；
所述公式為
其中：q為均衡系數(shù)；ui是照域di上i光的光照均勻度；si是di的面積；
di是指i光所對(duì)應(yīng)的照域；其di函數(shù)用于檢測(cè)di優(yōu)良程度；
步驟三，根據(jù)特定需求選擇光源；
選擇矩形led光源陣列，紅、藍(lán)光led數(shù)量比例為1∶1，所述紅、藍(lán)光led沿著行、列方向均為交錯(cuò)分布；光照平面到對(duì)應(yīng)光源平面的距離為h＝20cm，并以植物光源的中心作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系；
步驟四，設(shè)置計(jì)算參數(shù)，計(jì)算確認(rèn)最佳照域，最佳照域由各個(gè)光源的最佳域重疊而成，如(9)
dopt＝dredopt∩dblueopt(9)
最佳計(jì)算公式如(10)
其中：權(quán)橫度ω的區(qū)間為[0.5，0.9]；k＝1，2，…，t是當(dāng)前迭代次數(shù)；
所述步驟是在開始狀態(tài)下解碼，根據(jù)公式(8)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，隨機(jī)初始化光照群，從而計(jì)算適應(yīng)度值，并通過公式(10)更新個(gè)體最佳和全局最佳位置，滿足條件的進(jìn)入下一步，實(shí)現(xiàn)最佳照域的結(jié)果后結(jié)束程序，否則循環(huán)進(jìn)入計(jì)算適應(yīng)度值的步驟。
進(jìn)一步的，所述的步驟三中，所述的光源陣列為12行14列，行、列距均為l＝2cm。
進(jìn)一步的，所述紅、藍(lán)光led燈珠的軸向光照強(qiáng)度均取i0＝2800mcd，半角取θ1/2＝7.5°。
本發(fā)明的有益效果是：即時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)的計(jì)算出最佳照域，能夠?yàn)橹参锕庹占夹g(shù)提供更有力的研究參考價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了led光照對(duì)植物生長(zhǎng)的可控調(diào)節(jié)的功能。
具體實(shí)施方式
為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更加理解本發(fā)明技術(shù)方案，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步分析。
一種運(yùn)用于植物led照明中照域的確認(rèn)方法，包括以下步驟：
步驟一，對(duì)光照分布進(jìn)行分析，構(gòu)建均勻度模型；
所述的光照分布分析包括對(duì)單位led照射強(qiáng)度分析和光束led照射強(qiáng)度的分析；
所述的單位led照射強(qiáng)度由(1)式表示i(θ)＝i0cosmθ(1)；
其中，i(θ)是視角為θ方向上的光照強(qiáng)度；i0是led軸線(視角為0)方向的光照強(qiáng)度；m由led的結(jié)構(gòu)參數(shù)θ1/2決定，如式(2)
其中，θ1/2是光照強(qiáng)度為i0/2時(shí)的視角；
位于光源平面上a(x0，y0，0)點(diǎn)處的led在距離光源平面為z的光照平面上b(x，y，z)點(diǎn)處產(chǎn)生的光照度如式(3)
所述的光束led照射強(qiáng)度為所有紅光led和藍(lán)光led在該點(diǎn)處的光照度的疊加，如公式(4)
所述的構(gòu)建均勻度模型公式如(5)
式中，i表示為紅或藍(lán)光；
其中，(x，y)∈d，d是光照平面上的一個(gè)區(qū)域；sd是照明區(qū)域d的面積；
根據(jù)微積分原理，公式(6)可換算為公式(7)
其中：n表示為若干個(gè)均勻大小的小區(qū)域范圍；
步驟二，分析照域，構(gòu)建函數(shù)公式，將照域優(yōu)劣問題轉(zhuǎn)化成了求函數(shù)最小值問題；
所述公式為
其中：q為均衡系數(shù)；ui是照域di上i光的光照均勻度；si是di的面積；
di是指i光所對(duì)應(yīng)的照域；其di函數(shù)用于檢測(cè)di優(yōu)良程度
步驟三，根據(jù)特定需求選擇光源；
選擇矩形led光源陣列，所述的光源陣列為12行14列，行、列距均為l＝2cm；紅、藍(lán)光led數(shù)量比例為1∶1，所述紅、藍(lán)光led沿著行、列方向均為交錯(cuò)分布；所述紅、藍(lán)光led燈珠的軸向光照強(qiáng)度均取i0＝2800mcd，半角取θ1/2＝7.5°；光照平面到對(duì)應(yīng)光源平面的距離為h＝20cm，并以植物光源的中心作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系；
步驟四，設(shè)置計(jì)算參數(shù)，計(jì)算確認(rèn)最佳照域，最佳照域由各個(gè)光源的最佳域重疊而成，如(9)
dopt＝dredopt∩dblueopt(9)
最佳計(jì)算公式如(10)
其中：權(quán)橫度ω的區(qū)間為[0.5，0.9]；k＝1，2，…，，t是當(dāng)前迭代次數(shù)；
所述步驟是在開始狀態(tài)下解碼，根據(jù)公式(8)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，隨機(jī)初始化光照群，從而計(jì)算適應(yīng)度值，并通過公式(10)更新個(gè)體最佳和全局最佳位置，滿足條件的進(jìn)入下一步，實(shí)現(xiàn)最佳照域的結(jié)果后結(jié)束程序，否則循環(huán)進(jìn)入計(jì)算適應(yīng)度值的步驟。
本發(fā)明針對(duì)led光源分布的不均勻性特征，提出了一種最佳照域計(jì)算方法，并以矩形結(jié)構(gòu)的led植物光源作為算例對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，在光照均勻性與面積2個(gè)因素的影響比重為7∶3條件下，迭代結(jié)果得到了最優(yōu)區(qū)域是位于光照平面中央位置面積為21.5462cm×18.1cm的矩形區(qū)域，且該區(qū)域上的紅、藍(lán)光均勻度都達(dá)到了0.8662。將該結(jié)果與應(yīng)用傳統(tǒng)方法模擬出的光照度分布對(duì)比，表明應(yīng)用該計(jì)算方法確定led植物光源下最佳照域的方法可行。而且該方法能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)功能而無需人工判斷，更簡(jiǎn)單易行，可為led光源下植物栽培最佳域的自動(dòng)跟蹤提供重要的技術(shù)支撐。
以上對(duì)本申請(qǐng)所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本申請(qǐng)的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請(qǐng)的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。